(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続された第１キャパシタと第２キャパシタとを少なくとも含む蓄電部の前記第１、第２キャパシタの各両端への各印加電圧を検出する電圧モニタ装置であって、
前記蓄電部に充電電圧を印加する充電回路と、
前記第１、第２キャパシタの接続点における電圧を複数の抵抗で分圧する第１分圧部と、前記第１分圧部の分圧電圧が入力される第１入力端子と、
前記第２キャパシタの、前記充電回路側の電圧を複数の抵抗で分圧し、前記第１キャパシタと前記第２キャパシタとが同容量の場合に前記第１分圧部の分圧電圧とは異なる分圧電圧を出力するように抵抗値が設定された第２分圧部と、前記第１入力端子に隣接して設けられ、前記第２分圧部の分圧電圧が入力される第２入力端子と、
基準電圧を分圧する第１抵抗とサーミスタとで構成された第３分圧部と、前記第３分圧部の分圧電圧を入力される電圧バッファとしてのオペアンプと、を含み前記第１抵抗と前記サーミスタとの接続点の電圧を温度出力として出力する温度検出部と、前記温度出力が入力される第３入力端子と、
前記第１、第２、第３入力端子のいずれか一つを選択して出力する切替スイッチと、を有するモニタ部と、
前記切替スイッチに前記第１、第２、第３入力端子の選択信号を出力し、前記切替スイッチの出力に基づき前記第１、第２キャパシタの両端への各印加電圧を算出するとともに、前記温度出力に基づき前記蓄電部の環境温度を算出する制御部と、を備え、
前記第１、第２入力端子間が短絡した際に、前記切替スイッチの出力が異常電圧となるように、前記第１、第２分圧部を構成する前記複数の抵抗の抵抗値が設定され、
前記制御部は前記異常電圧から算出した前記第１、第２キャパシタの両端への各印加電圧から前記第１、第２入力端子間が短絡したことを判定し、前記第３入力端子と前記第１入力端子との間が短絡した際に生じる前記第１入力端子の異常電圧から算出した前記第１、第２キャパシタの両端への各印加電圧から前記第１、第３入力端子間が短絡したことを判定する、
電圧モニタ装置。
【請求項２】
直列に接続された第１キャパシタと第２キャパシタとを少なくとも含む蓄電部の前記第１、第２キャパシタの各両端への各印加電圧を検出する電圧モニタ装置であって、
前記蓄電部に充電電圧を印加する充電回路と、
前記第１、第２キャパシタの接続点における電圧を複数の抵抗で分圧する第１分圧部と、前記第１分圧部の分圧電圧が入力される第１入力端子と、
前記第２キャパシタの、前記充電回路側の電圧を複数の抵抗で分圧し、前記第１キャパシタと前記第２キャパシタとが同容量の場合に前記第１分圧部の分圧電圧とは異なる分圧電圧を出力するように抵抗値が設定された第２分圧部と、前記第１入力端子に隣接して設けられ、前記第２分圧部の分圧電圧が入力される第２入力端子と、
基準電圧を分圧する第１抵抗とサーミスタとで構成された第３分圧部と、前記第１抵抗と前記サーミスタとの接続点の電圧を入力され、オン時に前記第１抵抗と前記サーミスタとの接続点を既定電圧に接続するスイッチと、を含み前記第１抵抗と前記サーミスタとの接続点の電圧を温度出力として出力する温度検出部と、前記温度出力が入力される第３入力端子と、
前記第１、第２、第３入力端子のいずれか一つを選択して出力する切替スイッチと、を有するモニタ部と、
前記切替スイッチに前記第１、第２、第３入力端子の選択信号を出力し、前記切替スイッチの出力に基づき前記第１、第２キャパシタの両端への各印加電圧を算出するとともに、温度を検出する際に前記第３入力端子を選択するよう前記切替スイッチに前記選択信号を出力すると同時に前記スイッチをオフにし、前記温度出力に基づいて前記蓄電部の環境温度を算出し、前記環境温度を算出した後、前記スイッチをオンにする制御部と、を備え、
前記第１、第２入力端子間が短絡した際に、前記切替スイッチの出力が異常電圧となるように、前記第１、第２分圧部を構成する前記複数の抵抗の抵抗値が設定され、
前記制御部は前記異常電圧から算出した前記第１、第２キャパシタの両端への各印加電圧から前記第１、第２入力端子間が短絡したことを判定し、前記第３入力端子と、前記第１入力端子と前記第２入力端子とのいずれかとの間が短絡した際には、前記第１入力端子と前記第２入力端子とのいずれかから前記既定電圧を得ることで、前記第３入力端子と、前記第１入力端子と前記第２入力端子とのいずれかとの間の短絡を検出する、
電圧モニタ装置。
【請求項３】
直列に接続された第１キャパシタと第２キャパシタとを少なくとも含む蓄電部と、
請求項１、２のいずれか一項に記載の電圧モニタ装置と、を備えた、
蓄電装置。
【請求項４】
前記蓄電部は、前記第１キャパシタと前記第２キャパシタとの一方に並列に接続された第３キャパシタをさらに含む、
請求項３記載の蓄電装置。
【請求項５】
前記第１キャパシタと前記第２キャパシタとは電気二重層キャパシタである、
請求項３記載の蓄電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に直列、または直並列に接続された複数のキャパシタを用いた蓄電装置における電圧モニタ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
直列に接続された複数の電気二重層キャパシタを用いた従来の蓄電装置では、それぞれのキャパシタの端子電圧は以下のようにして検出される。まず、直列接続した２つの抵抗の組を電気二重層キャパシタ同士の接続点である各端子とグランドとの間に接続し、この２つの抵抗の間の接続箇所の電圧（分圧電圧）を切替スイッチに入力する。そしてマイクロコンピュータが切替スイッチにキャパシタ選択信号を送り、切替スイッチを制御する。これによって切替スイッチはマイクロコンピュータで選択されたキャパシタの分圧電圧をマイクロコンピュータのＡ／Ｄに入力する。マイクロコンピュータはこのようにして検出した分圧電圧を演算してそれぞれのキャパシタの端子間電圧を検出する。
【０００３】
特開２００４−２７１３５６号公報はこの種の電圧モニタ装置を開示している。この電圧モニタ装置では、切替スイッチとしてマルチプレクサを用い、複数の抵抗の接続の組み合わせをマルチプレクサで選択する。
【０００４】
しかしながら、マルチプレクサの入力端子の間隔は狭い。そのため切替スイッチとしてマルチプレクサを用い、基板に実装すると電極を構成する金属のマイグレーションなどにより隣接入力端子間で短絡する故障を起こす可能性がある。このように隣接入力端子間で短絡を起こすと各キャパシタの分圧電圧が正しく得られなくなる。そのため、このような短絡を検出する必要がある。
【０００５】
入力端子間の短絡を検出する方法として以下のような方法が考えられる。すなわち、分圧電圧の出力を切替スイッチの隣接する全ての入力端子に接続して電圧検出するのではなく、例えば分圧電圧出力を接続した入力端子の両側の隣接入力端子をグランドに接続しておく。このようにすれば隣の入力端子と短絡しても分圧電圧出力がグランドにクランプされるので簡単に短絡を検出することができる。
【０００６】
しかし、切替スイッチの入力端子に各分圧電圧出力とグランドを交互に接続すると、半分の入力端子しか有効に使えず効率が悪い。あるいは大きな切替スイッチを使用する必要があり、電圧モニタ装置自体が大きくなる。
【発明の開示】
【０００７】
本発明は、抵抗分割された各分圧電圧出力が切替スイッチに接続される際、狭間隔な入力端子に接続された場合でも隣接入力端子間の短絡異常を簡単に検出することができる電圧モニタ装置である。本発明による電圧モニタ装置は、直列に接続された第１キャパシタと第２キャパシタとを少なくとも含む蓄電部の、第１、第２キャパシタの各両端への各印加電圧を検出する。この電圧モニタ装置は、蓄電部に充電電圧を印加する充電回路と、モニタ部と、制御部と、を有する。モニタ部は、第１分圧部と、第１入力端子と、第２分圧部と、第２入力端子と、切替スイッチと、を有する。第１分圧部は、第１、第２キャパシタの接続点における電圧を複数の抵抗で分圧する。第１入力端子には第１分圧部の分圧電圧が入力される。第２分圧部は第２キャパシタの、充電回路側の電圧を複数の抵抗で分圧する。この複数の抵抗は、第１キャパシタと第２キャパシタとが同容量の場合に第１分圧部の分圧電圧とは異なる分圧電圧を出力するように抵抗値が設定されている。第２分圧部の分圧電圧が入力される第２入力端子は第１入力端子に隣接して設けられている。切替スイッチは第１、第２入力端子のいずれか一つを選択して制御部に出力する。制御部は切替スイッチに第１、第２入力端子の選択信号を出力するとともに、切替スイッチの出力に基づき第１、第２キャパシタの両端への各印加電圧を算出する。そして第１、第２入力端子間が短絡した際に、切替スイッチの出力が異常電圧となるように、第１、第２分圧部を構成する複数の抵抗の抵抗値が設定されている。制御部はこの異常電圧から算出した第１、第２キャパシタの両端への各印加電圧から第１、第２入力端子間が短絡したことを判定する。この構成により、短絡が発生すると分圧電圧出力が正常時の分圧電圧の範囲を逸脱する。その結果、入力端子間の短絡を簡単に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における電圧モニタ装置を含む回路の概略構成図である。図２は本実施の形態における電圧モニタ装置の入力端子短絡時の等価回路図である。
【０００９】
主電源１はバッテリーまたは発電機からなり、充電回路２に接続されている。充電回路２は充電電圧と充電電流とを所定の値に制御する。充電回路２は制御部３から充電の開始および停止の指令を得る。制御部３は後述するように電圧モニタ装置全体を制御するとともに、上位制御部４と通信して充電の開始、停止を決定する。
【００１０】
第１分圧部である分圧部５Ａは、電気二重層キャパシタＣ１〜Ｃｎ（ｎはキャパシタの個数）を直列に接続した蓄電部６の、キャパシタＣ１とキャパシタＣ２との接続点に印加される接続点電圧Ｖ１を複数の抵抗Ｒ１、Ｒ２により分圧するように構成されている。第１入力端子である入力端子ＩＮ１には分圧部５Ａの分圧電圧が入力される。第２分圧部である分圧部５Ｂは、キャパシタＣ２の、充電回路２側の電圧を複数の抵抗Ｒ３、Ｒ４で分圧する。入力端子ＩＮ１に隣接する第２入力端子である入力端子ＩＮ２には分圧部５Ｂの分圧電圧が入力される。以下同様に、キャパシタＣ３〜Ｃｎにはそれぞれ、各キャパシタの、充電回路２側の電圧を複数の抵抗で分圧する分圧部が設けられている。蓄電部６は充電回路２により所定の電圧まで充電される。
【００１１】
切替スイッチ７は、スイッチＳＷ１〜ＳＷｎ＋１からいずれかを選ぶ信号を制御部３から受ける。そして複数の入力端子ＩＮ１〜ＩＮｎ＋１の内、その選択信号に適合する入力端子ＩＮｘ（ｘは選択信号で、１≦ｘ≦ｎ＋１）の電圧を切替スイッチ７の出力として制御部３に出力する。
【００１２】
モニタ部８は、分圧部５Ａ、５Ｂを含む複数の分圧部、入力端子ＩＮ１〜ＩＮｎ＋１、切替スイッチ７、温度検出部９を有し、充電時に電圧が異なる電気二重層キャパシタＣｘの端子の接続点における電圧と蓄電部６の環境温度とをモニタしている。
【００１３】
環境温度を出力する温度検出部９は、基準電圧Ｖｒｅｆを抵抗Ｒ７とサーミスタＴＨ１とで分圧し、両者の間の電圧を温度出力として出力する。この温度出力は電圧バッファとしてのオペアンプＯＰ１を介して複数の入力端子の１つである入力端子ＩＮ３に接続されている。
【００１４】
制御部３は上記の温度出力により環境温度を算出し、また切替スイッチ７を制御する。これ以外に制御部３は、蓄電部６の充電状態を監視する。さらに各入力端子ＩＮ１〜ＩＮｎ＋１の電圧から、それぞれのキャパシタＣ１〜Ｃｎの印加電圧を算出し、異常があれば上位制御部４へ通信により情報を伝達する。すなわち制御部３は切替スイッチ７の出力に基づきキャパシタＣ１〜Ｃｎの両端への各印加電圧を算出する。また必要であれば、充電停止指令を充電回路２へ送出する。さらに、各分圧部に用いられる抵抗比を記憶している。
【００１５】
次に、このように構成された電圧モニタ装置の動作について説明する。充電回路２は制御部３から充電開始の指令を受けると、蓄電部６に所定の充電電圧を印加して蓄電部６を充電する。このとき、各キャパシタＣ１〜Ｃｎへの印加電圧が高い場合、あるいは周囲環境温度が高い場合には、容量および内部抵抗の劣化が進行する。そこで、制御部３は各キャパシタＣ１〜Ｃｎの印加電圧と環境温度とをモニタする。そして印加電圧が所定値を著しく超えたり、環境温度が所定値を著しく超えたりする異常が発生すれば、制御部３は充電回路２を制御して充電を停止する。場合によっては蓄電部６を放電する。このように制御部３はキャパシタＣ１〜Ｃｎへの過負荷を軽減する。なお、図示していないが、強制空冷するファンや水冷するための冷却水循環路とポンプとを設けて制御部３がこれらを制御し、環境温度を低下させて過負荷を軽減してもよい。
【００１６】
蓄電部６が正常に充電されれば、制御部３は充電回路２に対して充電停止を指令する。その後、切替スイッチ７に対してどの入力端子ＩＮｘを選択するかの選択信号を順次出力する。これにより制御部３は、各キャパシタＣ１〜Ｃｎの接続点電圧Ｖ１〜Ｖｎが各分圧部で分圧された分圧電圧ＶＭ１〜ＶＭｎを、切替スイッチ７の出力から読み込んでいく。
【００１７】
制御部３は読み込まれた各分圧電圧ＶＭ１〜ＶＭｎに基づいて、実際の各キャパシタＣ１〜Ｃｎの印加電圧を推定する。具体的には、各分圧部の分圧比の逆数を各分圧電圧ＶＭ１〜ＶＭｎに乗じて接続点電圧Ｖ１〜Ｖｎを算出する。そして。得られた接続点電圧Ｖ１〜Ｖｎのうち、隣接する接続点電圧の差Ｖｘ＋１−Ｖｘを算出することで、制御部３は各キャパシタＣ１〜Ｃｎの両端に印加されている電圧を推定する。
【００１８】
例えば図１に示した第２キャパシタであるキャパシタＣ２の印加電圧は、第１キャパシタであるキャパシタＣ１とキャパシタＣ２との接続点電圧Ｖ１と、キャパシタＣ２の充電回路２側の接続点電圧Ｖ２より、Ｖ２−Ｖ１を制御部３で算出することで推定している。なお、これらの演算の詳細は後述する。
【００１９】
次に、環境温度の検出方法について説明する。一定の基準電圧Ｖｒｅｆは、第１抵抗である抵抗Ｒ７と、温度に反比例して抵抗値が変化するサーミスタＴＨ１とで分圧される。すなわち、抵抗Ｒ７とサーミスタＴＨ１とは基準電圧Ｖｒｅｆを分圧する第３分圧部５Ｃを形成している。抵抗Ｒ７とサーミスタＴＨ１とによる分圧電圧（温度出力）ＶＭｔは、オペアンプＯＰ１を介して切替スイッチ７の入力端子ＩＮ３に接続されている。そのため、制御部３は入力端子の選択信号で入力端子ＩＮ３を選択することにより、温度を算出するための温度出力ＶＭｔを読み込む。
【００２０】
こうして得られた各種電圧より、制御部３は各キャパシタＣ１〜Ｃｎの印加電圧と環境温度とを算出する。それぞれの印加電圧と環境温度との推定値のうち、いずれかが所定の閾値幅を逸脱する場合、通信出力を用いて上位制御部４へ異常を送信する。各キャパシタＣ１〜Ｃｎの印加電圧と環境温度とが閾値幅内の場合、制御部３は引き続き所定時間毎に印加電圧や環境温度をモニタする。
【００２１】
図１において、キャパシタＣ２の両端に印加される印加電圧はＶ２−Ｖ１である。したがって、まず制御部３はスイッチＳＷ１をオンにし、Ｖ１の電圧を抵抗分割した分圧電圧ＶＭ１＝Ｖ１×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）を読み込む。
【００２２】
次に、制御部３はスイッチＳＷ１をオフした後、スイッチＳＷ２をオンにし、Ｖ２の電圧を抵抗分割した分圧電圧ＶＭ２＝Ｖ２×Ｒ４／（Ｒ３＋Ｒ４）を読み込む。
【００２３】
制御部３は、読み込んだＶＭ１、ＶＭ２に、それぞれの分圧部５Ａ、５Ｂの分圧比の逆数を乗算した後、減算処理を実行する。具体的には、制御部３は次の（１）式よりＶ２−Ｖ１の値、すなわちＣ２の両端印加電圧を求める。
【００２４】
【数１】
0004535124.tif 000002
【００２５】
次に、隣接する入力端子ＩＮ１〜ＩＮｎ＋１の短絡が発生した場合の故障検出方法について具体的に説明する。一例として入力端子ＩＮ１、ＩＮ２間が短絡した場合を、図２を用いて説明する。この状態では、制御部３がスイッチＳＷ１を選択した場合も、スイッチＳＷ２を選択した場合も、図２に示すＶＭ１とＶＭ２の合成電圧値Ｖａが制御部３に読み込まれる。この合成電圧値Ｖａは、（２）式で表現することができる。なお、／／は並列接続された合成抵抗値を表す。
【００２６】
【数２】
0004535124.tif 000003
【００２７】
したがって、制御部３がキャパシタＣ２の両端印加電圧として算出する電圧値Ｖ２’−Ｖ１’は、次の（３）式で表現できる。
【００２８】
【数３】
0004535124.tif 000004
【００２９】
ここで、ＶＭ１＝ＶＭ２とならないように、Ｒ１〜Ｒ４の値を設定しておく。すなわち、分圧部５Ｂは、キャパシタＣ１とキャパシタＣ２とが同容量の場合に分圧部５Ａの分圧電圧とは異なる分圧電圧が出力されるように抵抗値Ｒ３、Ｒ４が設定されている。以下同様に、隣り合う入力端子ＩＮｎとＩＮｎ−１とでは分圧電圧ＶＭｎとＶＭｎ−１とが異なるように各分圧部の抵抗値が設定されている。
【００３０】
また入力端子ＩＮ１、ＩＮ２間に短絡が発生すると切替スイッチ７の出力が異常電圧となり、制御部３が正常値Ｖ１−Ｖ２とは明らかに異なる異常電圧Ｖ１’−Ｖ２’を算出するように、各抵抗値Ｒ１〜Ｒ４をあらかじめ所定値に設定しておく。すなわち、入力端子ＩＮ１、ＩＮ２が短絡すると、正常に充電される場合の分圧電圧ＶＭ１、ＶＭ２に比べ著しく大きい、または小さい電圧にシフトするように、あらかじめ抵抗分割する抵抗値Ｒ１〜Ｒ４が設定されている。
【００３１】
このように各抵抗を設定すると、（２）式、（３）式より、入力端子ＩＮ１とＩＮ２の短絡故障発生時に制御部３が算出するＶ２’−Ｖ１’は、短絡していない正常値Ｖ２−Ｖ１と比べ異なった値、すなわち異常電圧となる。
【００３２】
そして、Ｖ２’−Ｖ１’＞Ｖｔｈ＞Ｖ２−Ｖ１、またはＶ２’−Ｖ１’＜Ｖｔｈ＜Ｖ２−Ｖ１が成り立つように、Ｖ２−Ｖ１とＶ２’−Ｖ１’の中間に電圧閾値Ｖｔｈを設定する。前者の不等式の場合、任意のＶｘ＋１−ＶｘがＶｔｈ未満であれば正常であり、Ｖｔｈを超えていれば短絡故障であると判定できる。一方、後者の不等式の場合、任意のＶｘ＋１−ＶｘがＶｔｈより大きければ正常であり、Ｖｔｈ以下であれば短絡故障であると判定できる。このように制御部３は切替スイッチ７の出力する異常電圧から算出したキャパシタＣ１、Ｃ２の両端への各印加電圧から入力端子ＩＮ１、ＩＮ２間が短絡したことを判定する。
【００３３】
Ｖ２−Ｖ１はキャパシタＣ２の両端電圧として算出される値である。一方、各キャパシタの概略電圧は、蓄電部６全体の電圧を各キャパシタの静電容量の逆数に比例して配分することにより推定できる。そのため、キャパシタの静電容量のばらつきを考慮しつつ、各キャパシタの電圧の正常電圧範囲を決定することができる。この電圧範囲の上下限を閾値として用いることもできる。
【００３４】
通常、各分圧部の抵抗分割比は、直列接続した最上位キャパシタ電圧Ｖｎを分割した電圧が制御部３を構成するマイクロコンピュータのＡ／Ｄコンバータ部分の上限を超えない範囲で、同じになるように設定される。そして、分圧電圧ＶＭｎ−１とＶＭｎとが切換スイッチ７の入力端子に隣接するように接続すれば、容易にスイッチ７の入力隣接間の短絡を検知できる。これは短絡時にＶＭ１とＶＭ２とが同じ値になり、（１）式の分割比が同じであれば、Ｖ２−Ｖ１が０となるためである。しかしながらマイクロコンピュータのＡ／Ｄコンバータ部分は耐圧上限値を有するため、高電圧側に合せて抵抗分割比を設定すると、グランド（ＧＮＤ）電位に近いキャパシタＣ１の分圧電圧ＶＭ１が小さくなる。そのため、マイクロコンピュータでの読み取りＡ／Ｄ値は周辺ノイズの影響を受けやすくなる。電気二重層キャパシタの直列数Ｃｎが大きくなるほどその現象は顕著になる。さらにＡ／Ｄ端子の電圧が約０．３Ｖより低くなると、Ａ／Ｄ端子からのリーク（漏れ）電流が急増する。このためＡ／Ｄ端子からの読み取り誤差が増大する。
【００３５】
そのため、キャパシタＣ１の分圧電圧ＶＭ１は、マイクロコンピュータのＡ／Ｄコンバータ部分の上限内でなるべく大きい方が好ましい。そのためには、キャパシタＣ１に対応する抵抗分割比（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２やキャパシタＣ２に対応する抵抗分割比（Ｒ３＋Ｒ４）／Ｒ４は小さく設定することが好ましい。
【００３６】
一方、キャパシタＣ３よりもグランド側から離れた位置に接続されているキャパシタではマイクロコンピュータのＡ／Ｄコンバータ部分の上限を超えないように抵抗分割比を大きく設定する必要がある。このように各分圧部の抵抗分割比が異なる方が分圧電圧の測定精度を向上させることができる。しかしながらそのために、従来の方法では入力端子間の短絡を検出できない。
【００３７】
本実施の形態では、隣り合う入力端子ＩＮｎとＩＮｎ−１とでは分圧電圧ＶＭｎとＶＭｎ−１とが異なるように各分圧部の抵抗値を設定している。そして制御部３は、各キャパシタの両端電圧が所定の閾値を上回るか下回ったときに入力端子間の短絡が生じていると判断する。以上の構成、動作により、確実に切替スイッチ７の入力端子間の短絡を検出することができる。なお、本構成では全ての入力端子に分圧電圧出力が接続できるので、入力端子を有効に利用できる。
【００３８】
ここで、抵抗値や抵抗分割比の設定の具体例を説明する。図１において、電気二重層キャパシタの直列数Ｃｎを６、Ｃ１〜Ｃ６間の満充電電圧を１２Ｖとする。この場合、各キャパシタの両端電圧はそれぞれ２Ｖとなる。なお、マイクロコンピュータのＡ／Ｄコンバータ部分の上限電圧は高精度の電圧が得られる２．５Ｖとする。
【００３９】
まず、充電過程で種々の演算に対するノイズの影響を低減できるようにＶＭ１の値を高めるため、キャパシタＣ１に対応する分圧部５Ａにおいて、Ｒ１＝８６６Ω、Ｒ２＝８６６Ωとする。分割比は（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ２）＝２である。切換スイッチ７の入力間短絡がない正常時に、入力端子ＩＮ１の電圧ＶＭ１は１Ｖ、演算電圧Ｖ１は２Ｖとなる。
【００４０】
一方、キャパシタＣ２に対応する分圧部５Ｂにおいては、Ｒ３＝４３３０Ω、Ｒ４＝８６６Ωとする。分割比は（Ｒ３＋Ｒ４）／（Ｒ４）＝６である。切換スイッチ７の入力間短絡がない正常時に、入力端子ＩＮ２の電圧ＶＭ２は０．６７Ｖ、演算電圧Ｖ２は４Ｖである。すなわちＶ２−Ｖ１＝２Ｖであり、ＶＭ２はＶＭ１と異なる値となる。
【００４１】
これに対し、切換スイッチの入力端子ＩＮ１とＩＮ２との間が短絡した時の異常電圧Ｖａは（２）式より、Ｖａ＝０．８７５Ｖとなる。したがって、Ｖ２‘−Ｖ１’＝５．２５−１．７５＝３．２５Ｖとなる。
【００４２】
これらより例えば、Ｖｔｈを、Ｖ２−Ｖ１とＶ２‘−Ｖ１’の中間値である２．６２５Ｖに設定すれば制御部３は入力端子ＩＮ１とＩＮ２との間の短絡を検出することができる。ＶｔｈはＶ２−Ｖ１とＶ２‘−Ｖ１’との間で適宜設定することができる。たとえば、キャパシタＣ１〜Ｃ６の容量ばらつきが１０％と見積もれるのであれば、下限閾値を１．８Ｖとして、これを下回る場合に短絡と判定してもよい。また、上限閾値を２．２Ｖとして、これを上回る場合に短絡と判定してもよい。
【００４３】
なお、ＶＭ１の値が０．３Ｖ以上になるように分圧部５Ａの抵抗分割比を設定することでノイズの影響を抑制することができるので、上記以外の抵抗分割比に設定することもできる。さらに、上記の説明では蓄電部６が満充電の場合の電圧を例に説明しているが、より低充電の状態で判定してもよい。
【００４４】
（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２における電圧モニタ装置を含む回路の概略構成図である。図４は同電圧モニタ装置の分圧部の分圧電圧出力が接続された入力端子と温度検出部の温度出力が接続された入力端子との短絡時の等価回路図である。図５Ａ〜図５Ｃは同電圧モニタ装置の充電電圧の経時特性図であり、図５Ａは正常時のキャパシタ接続点の電圧の経時特性図である。図５Ｂは温度検出部の温度出力電圧が満充電時のキャパシタの分圧部の分圧電圧より高い状態における入力端子短絡時のキャパシタ接続点の電圧の経時特性図である。図５Ｃは温度検出部の温度出力電圧が満充電時のキャパシタの分圧部の分圧電圧より低い状態における入力端子短絡時のキャパシタ接続点の電圧の経時特性図を示す。
【００４５】
図３に示す電圧モニタ装置は、図１に示した実施の形態１の構成において温度検出部９の温度出力ＶＭｔの入力端子の位置が異なる。すなわち温度検出部９の温度出力ＶＭｔは入力端子ＩＮ２に接続され、分圧部５Ｂの分圧電圧ＶＭ２は入力端子ＩＮ３に接続されている。この場合、入力端子ＩＮ３は分圧電圧ＶＭ２が入力される第２端子であり、入力端子ＩＮ２は温度出力ＶＭｔが入力される第３端子である。これ以外は実施の形態１と同じ構成であるので、同一構成要素には同一番号を付して詳細な説明は省略する。
【００４６】
本実施の形態における特徴的な点は、温度検出部９の温度出力ＶＭｔを入力される入力端子ＩＮ２と、分圧部５Ａの分圧電圧ＶＭ１または分圧部５Ｂの分圧電圧ＶＭ２が入力される入力端子ＩＮ１またはＩＮ３とが短絡した時の検出方法である。
【００４７】
実施の形態１で述べたように、キャパシタＣ１〜Ｃｎの両端印加電圧をモニタする場合の切替スイッチ７の入力端子間短絡は、あらかじめ短絡を検出可能な各分圧部の抵抗値と制御部３内に故障判定の電圧閾値Ｖｔｈを設定しておく方法で解決できる。しかし温度検出部９では分圧するための抵抗の一方がサーミスタＴＨ１であり抵抗値が温度で変化するため、あらかじめ故障判定できる抵抗値に設定できない。その理由を以下に説明する。
【００４８】
Ｖｒｅｆを５Ｖ、キャパシタの温度特性を補正するための温度範囲を−４０℃から＋２５℃とする。またＲ７は２００ｋΩとする。２５℃でのサーミスタＴＨ１の抵抗値が１０ｋΩ、温度特性であるＢ定数が３４００の場合、ＶＭｔの温度依存性は（表１）のように指数関数的に変化する。
【００４９】
【表１】
0004535124.tif 000005
【００５０】
（表１）に示すように、ＶＭｔは温度変化により図１の分圧電圧ＶＭ１とＶＭ２の値を包含するので、ＩＮ２とその隣接端子との間の短絡、すなわちＩＮ２のＩＮ１との短絡、またはＩＮ２のＩＮ３との短絡を検知できない。
【００５１】
そこで図３に示すように、抵抗Ｒ７とそれに直列に接続したサーミスタＴＨ１で基準電圧Ｖｒｅｆを分圧し、その分圧電圧（温度出力）と切替スイッチ７の入力端子ＩＮ２との間にオペアンプＯＰ１を電圧バッファとして挿入する。この電圧バッファにより、入力端子ＩＮ２が隣接する入力端子ＩＮ１やＩＮ３と短絡した場合でも、制御部３は簡単にこのような故障を検出できる。
【００５２】
以下にその検出方法について具体的に説明する。まず図５Ａを用いて入力端子ＩＮ２とＩＮ１やＩＮ３との短絡が無く正常に充電する場合について説明する。入力端子ＩＮ１、ＩＮ３の電圧ＶＭ１、ＶＭ３は、正常時の電圧変化の軌跡をたどって満充電まで上昇し、これに応じて図５Ａに示すようにＶ１、Ｖ２が上昇する。
【００５３】
これに対し、切替スイッチ７の入力端子ＩＮ１、ＩＮ２が短絡し、ＶＭｔ＞ＶＭ１である場合について図５Ｂを用いて説明する。図４に示すように入力端子ＩＮ１、ＩＮ２が短絡した場合、正常時のＶ１を抵抗分割した分圧電圧ＶＭ１＝Ｖ１×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）の値に関わらず、ＶＭ１は、電圧バッファであるオペアンプＯＰ１の出力電圧値（＝温度出力）ＶＭｔ＝Ｖｒｅｆ×ＴＨ１／（Ｒ７＋ＴＨ１）に固定される。特に蓄電部６が充電開始初期の０Ｖから所定の満充電電圧まで急速に充電される充電制御の場合、充電中の時間０からＴの短時間の範囲においては、環境温度の変化が非常に小さいと想定される。そのため、入力端子ＩＮ１、ＩＮ２の電圧ＶＭ１、ＶＭｔは一定の値に固定されたままになる。これによってＶ１は図５Ｂのように高い値で一定になる。
【００５４】
このため、充電開始初期にはＶ２−Ｖ１の印加電圧、すなわちキャパシタＣ２の両端印加電圧が充電初期にマイナスの電圧からスタートし、満充電になる前にマイナスからプラスへ逆転する。そしてさらに満充電に達した時、キャパシタＣ２の両端印加電圧Ｖ２−Ｖ１は異常に小さい電圧として検出される。一方、キャパシタＣ１の両端印加電圧Ｖ１は異常に大きい電圧として検出される。
【００５５】
一方、短絡時の温度出力ＶＭｔがキャパシタＣ１の満充電電圧Ｖ１よりも小さい値の場合は、図５Ｃに示すようになる。すなわち、キャパシタＣ２の両端印加電圧Ｖ２−Ｖ１は異常に大きい電圧として制御部３で算出される。
【００５６】
このように温度検出部９の温度出力ＶＭｔと短絡すれば、キャパシタＣ１、Ｃ２の印加電圧は異常な挙動を示す。この挙動を利用し、充電中に減少する印加電圧、充電初期のキャパシタのマイナスの印加電圧、あるいは満充電時の過大な印加電圧といった異常電圧を制御部３で検出する。この検知結果に基づき制御部３は、温度検出部９の温度出力の入力端子ＩＮ２に、隣接する分圧電圧の入力端子ＩＮ１が短絡したことを検出する。すなわち制御部３は、入力端子ＩＮ２と入力端子ＩＮ１との間が短絡した際に生じる入力端子ＩＮ１の異常電圧から算出したキャパシタＣ１、Ｃ２の両端への各印加電圧から入力端子ＩＮ１、ＩＮ２間が短絡したと判定する。
【００５７】
この際、各々の異常電圧に対する所定の閾値をそれぞれ設定しておき、閾値を逸脱したか否かで正常充電と区別する。すなわち、前述のように満充電状態におけるキャパシタの両端印加電圧で判断する場合には、実施の形態１と同様に、キャパシタＣ１〜Ｃ６の容量ばらつきを見越して閾値を設定することができる。容量ばらつきが１０％と見積もれるのであれば、下限閾値を１．８Ｖとして、これを下回る場合に短絡と判定してもよい。また、上限閾値を２．２Ｖとして、これを上回る場合に短絡と判定してもよい。このように、温度検出部９の出力が含まれる短絡であっても簡単に検出できる。
【００５８】
なお、入力端子ＩＮ２とＩＮ３とが短絡した場合は、分圧部５Ｂの分圧電圧ＶＭ２が温度出力電圧ＶＭｔに固定される。この場合も、入力端子ＩＮ１とＩＮ２との短絡時と同様に検知できる。この場合、異常検出対象のキャパシタはＣ１、Ｃ２ではなくＣ２、Ｃ３になる。
【００５９】
以上の構成、動作により温度検出部９の温度出力が含まれる短絡であっても、簡単な構成で短絡検出することができる。なお、本構成においても全ての入力端子に接続できるので、入力端子を有効に利用できる。
【００６０】
なおここでは入力端子ＩＮ１またはＩＮ３との短絡を例に説明しているが、温度出力の入力端子を例えば入力端子ＩＮ４など他の位置にした場合でも同様にして他の入力端子との短絡を検出することができる。
【００６１】
（実施の形態３）
図６は本発明の実施の形態３における電圧モニタ装置の温度検出部の概略回路図である。図７は同電圧モニタ装置の分圧部の分圧電圧出力が接続された入力端子と温度検出部の温度出力が接続された入力端子の短絡時に分圧電圧出力が選択された時の一部回路図である。
【００６２】
本実施の形態と図３に示した実施の形態２とが異なる点は、図６に示す回路構成の温度検出部９Ａを用いた点である。それ以外の構成は、実施の形態２の構成とほぼ同等であるので、同一構成要素には同一番号を付して詳細な説明は省略し、異なる部分について説明する。
【００６３】
実施の形態２では、抵抗Ｒ７とサーミスタＴＨ１との分圧電圧（温度出力）ＶＭｔは、オペアンプＯＰ１で構成された電圧バッファに入力されている。これに対し本実施の形態では、温度出力ＶＭｔの入力される入力端子ＩＮ２は外部制御可能なスイッチＳＷを介して既定電圧に接続されている。すなわち、基準電圧Ｖｒｅｆを分圧する第１抵抗である抵抗Ｒ７とサーミスタＴＨ１とで構成された第３分圧部である分圧部５Ｃの分圧電圧（温度出力）ＶＭｔはスイッチＳＷに接続されている。スイッチＳＷはオン時に抵抗７とサーミスタＴＨ１との接続点を既定電圧に接続する。なお本実施の形態では既定電圧をグランドとしている。また、スイッチＳＷは制御部３によってオンオフを制御されている。
【００６４】
次に正常時の温度検出部９Ａの動作を説明する。図７において、短絡がない正常時であって、切替スイッチ７が温度検出部９Ａの温度出力ＶＭｔと接続された入力端子ＩＮ２以外の入力端子を選択している時、制御部３はスイッチＳＷをオンにしている。これにより、温度検出時以外は常に入力端子ＩＮ２がグランドにクランプされる。
【００６５】
温度を検出する際、制御部３は、温度出力ＶＭｔが接続された入力端子ＩＮ２を選択するよう切替スイッチ７に選択信号を出力する。このとき制御部３は、同時にスイッチＳＷをオフにする。これにより、温度出力ＶＭｔはグランドから切り離されるので、入力端子ＩＮ２の電圧は温度出力ＶＭｔになり、制御部３は温度を算出することができる。そして制御部３は蓄電部の環境温度を算出した後、スイッチＳＷをオンにする。以上のようにスイッチＳＷを制御することにより、スイッチＳＷは温度出力ＶＭｔを読み込む時だけオフになり、それ以外の時間はオンのままとなる。
【００６６】
次に、温度出力ＶＭｔが入力された入力端子ＩＮ２と分圧部５Ａの分圧電圧ＶＭ１が接続された入力端子ＩＮ１とが短絡した場合に短絡を検出する方法を説明する。図７に示すように、入力端子ＩＮ１とＩＮ２が短絡した状態で切替スイッチ７が入力端子ＩＮ１を選択する。この場合、スイッチＳＷはオンであるので、分圧部５Ａの分圧電圧ＶＭ１はグランドに接続される。したがって、入力端子ＩＮ１の電圧はグランドレベルとなる。入力端子ＩＮ１が既定電圧であるグランドレベルであることから、制御部３は入力端子ＩＮ１とＩＮ２との短絡を検出することができる。
【００６７】
このように入力端子ＩＮ１、ＩＮ２が短絡していることがわかれば、制御部３は切替スイッチ７が次に選択する入力端子ＩＮ２の温度出力が異常であるとし、温度への換算動作を行わない。また制御部３は、これらの短絡情報や温度が正常に得られないという情報を上位制御部４に通信するとともに、必要に応じて充電停止指令を充電回路２へ送出する等の動作を行う。
【００６８】
以上のように、入力端子ＩＮ２と、それに隣接する入力端子ＩＮ１または入力端子ＩＮ３との短絡が起これば、切替スイッチ７が入力端子ＩＮ１または入力端子ＩＮ３を選んだ時に電圧が既定電圧となる。そのため入力端子ＩＮ１または入力端子ＩＮ３の電圧が既定電圧か否かという簡単な判断基準で短絡の有無を検出することができる。また、図６の回路構成に示す温度検出部９Ａを用いることにより、実施の形態２に比べてオペアンプＯＰ１が不要で回路構成が簡単になり、低コスト化が可能となる。以上の構成、動作により温度検出部９Ａの温度出力がキャパシタの端子電圧を算出するための分圧電圧と短絡した場合でも、さらに簡単な構成で短絡検出することができる。
【００６９】
なお、温度出力が含まれない入力端子間の短絡検出方法は実施の形態１と同じである。また、本構成においても全ての入力端子に接続できるので、入力端子を有効に利用できる。
【００７０】
なお、実施の形態１〜３においては、複数の電気二重層キャパシタを全て直列に接続する構成としたが、これは蓄電部６に要求される電力仕様に応じて直並列接続としてもよい。図８Ａ〜図８Ｃは電気二重層キャパシタを直並列接続した場合の一部回路図である。図８Ａは直列接続を並列に接続した一部回路図、図８Ｂは並列接続を直列に接続した場合の一部回路図、図８Ｃは並列接続と単数の電気二重層キャパシタを組み合わせて直列に接続した場合の一部回路図をそれぞれ示している。
【００７１】
図８Ａに示すように複数の電気二重層キャパシタを直列接続した蓄電部６を並列に接続する直並列構成においては、モニタ部８も蓄電部６と同数設ければよい。また、図８Ｂに示すように複数の電気二重層キャパシタを並列に接続したものを直列接続した直並列構成や、図８Ｃに示すような複数の電気二重層キャパシタを並列に接続したものと単数の電気二重層キャパシタを組み合わせて直列接続した直並列構成においては、モニタ部８は充電時に電圧が異なる電気二重層キャパシタの端子の接続点における電圧をモニタするように接続すればよい。すなわち、キャパシタＣ１に第３キャパシタであるキャパシタＣ３を並列接続し、これにキャパシタＣ２を直列接続した構成の蓄電部６でも本発明を適用することができる。またキャパシタＣ３をキャパシタＣ２に並列接続してもよい。なお、並列に接続するキャパシタの数は限定されない。
【００７２】
実施の形態１〜３ではキャパシタとして容量の大きい電気二重層キャパシタを用いているが、これに限定されない。しかしながら、電気二重層キャパシタは環境温度や維持電圧によって容量の低下を引き起こしやすい。そのため本実施の形態による電圧モニタ装置は電気二重層キャパシタを用いた蓄電装置に特に有効である。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明の電圧モニタ装置は、容易に入力端子間の短絡故障を検出できるので、特にキャパシタを用いた高信頼性を要求される車両用緊急補助電源等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の実施の形態１における電圧モニタ装置を含む回路の概略構成図
【図２】本発明の実施の形態１における電圧モニタ装置の入力端子短絡時の等価回路図
【図３】本発明の実施の形態２における電圧モニタ装置を含む回路の概略構成図
【図４】本発明の実施の形態２における電圧モニタ装置の分圧部の分圧電圧出力が接続された入力端子と温度検出部の温度出力が接続された入力端子の短絡時の等価回路図
【図５Ａ】本発明の実施の形態２における電圧モニタ装置の、正常時のキャパシタ接続点の電圧の経時特性図
【図５Ｂ】温度検出部の温度出力電圧が満充電時のキャパシタの分圧部の分圧電圧より高い状態における入力端子短絡時のキャパシタ接続点の電圧の経時特性図
【図５Ｃ】温度検出部の温度出力電圧が満充電時のキャパシタの分圧部の分圧電圧より低い状態における入力端子短絡時のキャパシタ接続点の電圧の経時特性図
【図６】本発明の実施の形態３における電圧モニタ装置の温度検出部の概略回路図
【図７】本発明の実施の形態３における電圧モニタ装置の分圧部の分圧電圧出力が接続された入力端子と温度検出部の温度出力が接続された入力端子の短絡時に分圧電圧出力が選択された時の一部回路図
【図８Ａ】本発明の実施の形態３において、電気二重層キャパシタを直並列接続した場合の蓄電装置の一部回路図であり、直列接続を並列に接続した一部回路図
【図８Ｂ】本発明の実施の形態３において、電気二重層キャパシタを直並列接続した場合の蓄電装置の一部回路図であり、並列接続を直列に接続した場合の一部回路図
【図８Ｃ】本発明の実施の形態３において、電気二重層キャパシタを直並列接続した場合の蓄電装置の一部回路図であり、並列接続と単数の電気二重層キャパシタを組み合わせて直列に接続した場合の一部回路図
【符号の説明】
【００７５】
１    主電源
２    充電回路
３    制御部
４    上位制御部
５Ａ    第１分圧部
５Ｂ    第２分圧部
５Ｃ    第３分圧部
６    蓄電部
７    切替スイッチ
８    モニタ部
９    温度検出部
【図１】
0004535124.tif 000006
【図２】
0004535124.tif 000007
【図３】
0004535124.tif 000008
【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
0004535124.tif 000011
【図５Ｃ】
0004535124.tif 000012
【図６】
0004535124.tif 000013
【図７】
0004535124.tif 000014
【図８Ａ】
0004535124.tif 000015
【図８Ｂ】
0004535124.tif 000016
【図８Ｃ】
0004535124.tif 000017